丁 琦 ，蔡晉輝 ，李 明 ，陳春宇

（1.中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院，杭州 310018；2.浙江省計量科學(xué)研究院，杭州 310000；3.浙江三花制冷集團，紹興 312000）

近些年來，國家電網(wǎng)公司加速發(fā)展，智能電表的運用也越加廣泛，其組成部分包括計量芯片、通訊芯片、微處理器、晶振電路、開關(guān)電源等。由于生活中存在著較多射頻電磁場的干擾，如果電能表芯片的布局不合理，開關(guān)電源質(zhì)量不合格，晶振穩(wěn)定性差，都會影響智能電表與電磁場的兼容性[1]，從而影響電能表的正常工作和準確計量。因此，根據(jù)國家GB/T17626.3—2016《電磁兼容試驗和射頻電磁場輻射抗擾度試驗》的要求，對電能表進行射頻電磁場輻射抗擾度試驗十分必要。

目前，如何正確、有效、快速地對電能表進行射頻電磁場抗擾度試驗性能檢測，成為研究熱點之一。文獻[2]應(yīng)用電波暗室產(chǎn)生射頻電磁場，對電能表進行試驗并開發(fā)自動測試軟件，通過計算機控制電磁場場強變化，但是電波暗室的建造成本和難度都很高，故不宜推廣。文獻[3]運用GTEM橫電磁波傳輸室進行電能表射頻電磁場的試驗，但是在電能表空載時，需要人工記錄液晶屏上的數(shù)據(jù)，工作效率低且容易出錯。對此，文中提出采用GTEM室代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電波暗室，進行電能表射頻電磁場抗擾度試驗的方法，運用網(wǎng)絡(luò)攝像機、圖像處理技術(shù)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對試驗過程中電能表液晶屏上的數(shù)字進行實時識別和記錄，以解決試驗過程中由于人工觀察記錄數(shù)據(jù)所帶來的問題。

1 自動測試系統(tǒng)平臺構(gòu)成

電能表射頻電磁場輻射抗擾度試驗自動測試系統(tǒng)的組成，如圖1所示。

圖1 自動測試系統(tǒng)組成Fig.1 Automatic detection system composition

（1）信號發(fā)生器

信號發(fā)生器配有標準的GPIB智能儀表接口卡，可執(zhí)行脫機、聯(lián)機操作，即手動、自動操作。聯(lián)機操作時可接收計算機發(fā)出的命令，并執(zhí)行相應(yīng)的頻率、相位及輸出電壓操作。該系統(tǒng)選用IFR公司的2023標準信號發(fā)生器，輸出頻率為9 kHz～2.05 GHz。

（2）功率放大器

功率放大器用于完成信號的放大處理，并將其送到GTEM室。采用美國AR公司的10 W 1000C型功率放大器。

（3）GTEM 室

根據(jù)同軸及非對稱矩形傳輸線原理設(shè)計GTEM室，綜合了電波暗室裝置、開闊場地測量、屏蔽室與半屏蔽室等的優(yōu)點，具有良好的高低頻特性，以極高的性價比進行輻射敏感度及輻射發(fā)射試驗。GTEM室接收功率放大器的輸出信號，形成所需的電磁場，場強可由場強探頭測出。為避免內(nèi)部電磁波的反射及產(chǎn)生高階模式的諧波，將其設(shè)計成尖劈形，尖劈底部為長方形，內(nèi)部可以放置電能表進行試驗[4]。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 GTEM室結(jié)構(gòu)Fig.2 GTEM cell structure

（4）測試探頭

測試探頭用于檢測GTEM室內(nèi)的電磁場場強，并將此三維場強信號的電平值（模擬信號），通過專用插頭與電纜傳送到場強測量儀進行分析。

（5）場強測量儀

場強測量儀用于接收測試探頭輸入的模擬信號，對信號加工處理，在液晶屏上顯示GTEM腔體中探頭位置處的動態(tài)場強值。它可以通過GPIB接口與計算機相連，將其場強的數(shù)據(jù)值送計算機進行處理。

（6）網(wǎng)絡(luò)攝像頭

網(wǎng)絡(luò)攝像頭用于采集電能表液晶屏上的圖像信息，通過RJ45網(wǎng)口與計算機相連。計算機可以通過局域網(wǎng)接收網(wǎng)絡(luò)攝像頭采集到的實時流數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)采用大華DH-PTZ81230F型攝像頭。

信號發(fā)生器、場強測量儀的GPIB接口，通過電纜級連的方式匯入GIPB接口板的GIPB接口上，系統(tǒng)在不同的GIPB地址區(qū)分這幾種儀器。

GIPB是一種并行的與儀器相接的小型標準接口系統(tǒng)，總線用24芯的標準接口插座，其中有16條信號線、8條地址線。在16條信號線中，有8條數(shù)據(jù)線、5條管理線、3條信號交互線或稱掛鉤線。GIPB標準將總線接口功能分為10種，分別定義了其工作方式和定時關(guān)系，以三線掛鉤的方式工作，可以很方便地控制儀器的工作狀態(tài)和從儀器讀取數(shù)據(jù)[4]。

計算機通過GIPB卡控制信號源產(chǎn)生一定類型、頻率和幅值的信號，信號源產(chǎn)生的信號通過功率放大器放大，通過同軸電纜饋入GTEM小室，在GTEM室能建立電磁場。GTEM小室內(nèi)的場強由場探頭變?yōu)殡娦盘枺ㄟ^場強測量儀測量它的大小，場強測量儀通過GIPB接口將場強數(shù)據(jù)輸入計算機內(nèi)。測量的場強值和標準規(guī)定的數(shù)值進行比較，通過信號源調(diào)整它的大小直至達到標準規(guī)定的數(shù)值。

2 電能表數(shù)字識別系統(tǒng)原理

2.1 電能表液晶屏數(shù)字識別流程

電能表數(shù)字自動識別流程如圖3所示，整個系統(tǒng)流程包括圖像的獲取、流媒體的格式轉(zhuǎn)換、數(shù)字識別。其中，流媒體的格式轉(zhuǎn)換是為了實現(xiàn)系統(tǒng)的實時性，先將原始的碼流通過回調(diào)函數(shù)輸出為YUV色度圖像，然后轉(zhuǎn)換為可供后續(xù)處理的RGB圖像格式，并放入計算機緩存空間，再運用數(shù)字識別算法，對電能表液晶屏上的數(shù)字進行實時讀取[5]。

圖3 系統(tǒng)流程Fig.3 System flow chart

2.2 圖像預(yù)處理

由于被檢電能表的類型不同，采用自動分割的方式獲得電能表的顯示區(qū)域，尚不能完全實現(xiàn)自動分割。為了實現(xiàn)更強的兼容性，該程序使用人工選取的方式對需要進行數(shù)字識別的區(qū)域分割出來。

首先，劃分采集到的視頻圖像，用鼠標選取被識別區(qū)域（即電能表液晶屏中需要被識別的數(shù)字），并保存該區(qū)域的坐標，以便實時獲得該區(qū)域圖像信息。數(shù)字區(qū)域的定位結(jié)果如圖4（a）所示。

得到數(shù)字區(qū)域后，再對圖像進行高斯濾波，以去除圖像中的噪聲。為了方便后續(xù)的圖像處理，使得后續(xù)處理更加快速，再對圖像進行二值化處理，結(jié)果如圖4（b）所示。

通過高斯濾波和二值化處理，雖然可以去除或減輕部分噪聲，但不能完全濾除。在此，采用二值形態(tài)學(xué)的基本運算，以去除這些圖像中殘留的噪聲。先對圖像進行閉合運算，可以濾除字符中的黑色噪聲，再運用1×7的矩形結(jié)構(gòu)元素對其進行膨脹運算，由此填補圖像中的空洞，得到的圖像如圖4（c）所示。

圖4 圖像的預(yù)處理Fig.4 Image preprocessing

2.3 數(shù)字區(qū)域的分割

數(shù)字分割采用檢測連通域的方法進行分割，運用opencv中的findContours函數(shù)檢測圖像中的所有連通域，檢測出的連通域會以一系列的點來描述，獲取最外層的輪廓。然后，遍歷所有檢測到的輪廓，用BoundingRect函數(shù)獲得每1個輪廓的最小外接矩形，結(jié)果如圖5所示。

圖5 數(shù)字分割結(jié)果Fig.5 Digital segmentation result

因為尋找輪廓算法，得到的并不是根據(jù)數(shù)字位置排列好的有序輪廓，分割出來的數(shù)字是亂序的。因此，需要對數(shù)字的排列位置進行重新排序：在提取輪廓時，按照數(shù)字X坐標的大小對提取出的輪廓進行有序的命名和存儲，以便后續(xù)數(shù)字識別。

2.4 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字識別

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又稱為誤差反向傳遞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由信息的正向傳播和誤差的反向傳播2個過程組成。其體系結(jié)構(gòu)如圖6所示，分為輸入層、隱藏層還有輸出層[6]。

圖6 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)Fig.6 BP neural network architecture

圖中，輸入層各神經(jīng)元負責接收來自外界的輸入信息，并傳遞給隱藏層；隱藏層是內(nèi)部信息處理層，負責信息的變換，根據(jù)信息變換的需求，中間層可以設(shè)計為單隱藏層或者多隱藏層結(jié)構(gòu)；最后1個隱藏層將信息傳遞到輸出層，就完成了一次信息的正向傳播，由輸出層向外界輸出信息處理結(jié)果。

如果實際輸出與期望的輸出不相符，則進入誤差的反向傳播階段：誤差通過輸出層，按誤差梯度下降的方式修正各層的權(quán)值，向隱層、輸入層逐層反傳，經(jīng)過不斷地正向傳播和反向調(diào)整，使得輸出的結(jié)果與期望的結(jié)果盡可能得接近。當輸出層的誤差減小到可以接受的程度，訓(xùn)練結(jié)束。

2.4.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的具體實現(xiàn)需要確定輸入輸出神經(jīng)元數(shù)、隱藏層數(shù)、隱藏層中神經(jīng)元數(shù)。

1）輸入層神經(jīng)元數(shù)。輸入層神經(jīng)元的數(shù)根據(jù)待識別的數(shù)字網(wǎng)格像素決定。該系統(tǒng)對數(shù)字都進行了歸一化處理為25×45的像素，故取其輸入層數(shù)為1125個。

2）輸出層神經(jīng)元數(shù)。該系統(tǒng)要識別的是0—9這10個數(shù)字，采用8421碼對其進行分類，即對于輸出“0”，用輸出向量（0.0.0.0）表示；對于輸出“1”，用輸出向量（0.0.0.1）表示；依此類推，對于輸出“9”，用輸出向量（1.0.0.1）表示，由此可以確定輸出層的神經(jīng)元數(shù)為4個。

3）隱藏層數(shù)。隱藏層的層數(shù)越多，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速度就越慢。根據(jù)kolmogorov定理，在合理的神經(jīng)結(jié)構(gòu)和恰當?shù)臋?quán)值條件下，1個3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就可以對任意非線性函數(shù)進行逼近，基于此文中采用1個3層隱藏層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

4）隱藏層神經(jīng)元數(shù)。隱藏層神經(jīng)元數(shù)根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂性好壞來決定。在總結(jié)了大量網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，得出經(jīng)驗公式

式中：m為輸入層神經(jīng)元數(shù)，個；n為輸出層神經(jīng)元數(shù)，個；a為1～10之間的調(diào)節(jié)常數(shù)。依據(jù)此公式，選取隱藏層的神經(jīng)元數(shù)為36個。

2.4.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練

文中使用OPENCV的layerSizes函數(shù)，設(shè)置了含有3個隱藏層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：輸入層、3層隱藏層、輸出層。其中，輸入層有1125個神經(jīng)元，隱藏層有36個神經(jīng)元，輸出層有4個。學(xué)習(xí)函數(shù)使用sigmoid函數(shù)，允許的輸出誤差為0.02～0.2。訓(xùn)練結(jié)束后，可將學(xué)習(xí)過程中得到的信息存儲在連接權(quán)中，進行數(shù)字識別時直接調(diào)用這些連接權(quán)值，從而縮短識別周期并準確識別每一個數(shù)字。

3 系統(tǒng)軟件

電能表射頻電磁場抗擾度自動檢測軟件，主要驅(qū)動程序開發(fā)模塊、庫管理模塊、測試模塊、數(shù)字圖像處理識別模塊、數(shù)據(jù)管理模塊組成。其軟件界面如圖7所示。

圖7 軟件界面Fig.7 Software interface

驅(qū)動程序開發(fā)模塊負責底層與硬件的通信，程序通過GPIB卡向儀器發(fā)送命令，實現(xiàn)儀器控制、狀態(tài)查詢和數(shù)據(jù)讀取，處于其上層的是儀器的程控命令。不同GPIB卡的驅(qū)動程序不同，不同儀器的控制命令也不同，如果將某種GPIB驅(qū)動和某一儀器的控制命令直接寫入程序，則在更改GPIB卡和儀器時必須修改主程序，而不具有通用性。因此，在GPIB卡和儀器程序程控命令上，利用驅(qū)動開發(fā)測試模塊屏蔽掉硬件的差別，以動態(tài)鏈接庫的形式為測試模塊提供標準和統(tǒng)一接口的儀器驅(qū)動程序。

測試模塊為可執(zhí)行的程序，通過儀器驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)儀器的控制、數(shù)據(jù)采集。通過此模塊設(shè)置試驗需要的射頻電磁場場強和頻率范圍。

數(shù)字圖像處理識別模塊完成對試驗過程中電能表液晶屏上的數(shù)字識別，并保存試驗過程中的液晶屏數(shù)值。

數(shù)據(jù)管理模塊可以將測試結(jié)果按照用戶要求以Microsoft word格式輸出，用戶既可以在計算機上瀏覽以前的報告，也可以選擇打印測試結(jié)果。

4 結(jié)語

自動檢測系統(tǒng)將計算機視覺技術(shù)引入到檢測過程中，改變了傳統(tǒng)的電能表射頻電磁場抗擾度試驗方法，不僅極大地減輕了試驗過程中的工作量，還提高了試驗數(shù)據(jù)的準確性，且該系統(tǒng)具有開發(fā)成本低，配置靈活，維護升級容易等諸多優(yōu)點。

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